[發(fā)明專利]一種用于空氣電池或燃料電池陰極的混合相莫來石型電催化劑

有效

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• 申請日: 2016-03-24
• 公開（公告）號(hào): CN105742654B
• 公開（公告）日: 2021-04-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王衛(wèi)超;劉潔宇;于勐;劉孟寅;楊志;王長洪
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/88
• 分類號(hào): H01M4/88;H01M4/90;H01M4/96
• 代理公司: 暫無信息
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一種用于空氣電池或燃料電池陰極的混合相莫來石型電催化劑，將混合相莫來石材料應(yīng)用為空氣電池或燃料電池陰極催化劑，實(shí)現(xiàn)本專利發(fā)明目的的必要技術(shù)特征在于混合相莫來石電催化劑的制備，該混合相氧化物包括莫來石相，尖晶石相和螢石相。將其制作于空氣電池或燃料電池陰極催化層，證實(shí)其有可以與鉑金相媲美的催化性能。而且此種催化劑在中性環(huán)境下仍然具有較好的催化性能與較低的過電勢。本發(fā)明的特征一在于首次發(fā)現(xiàn)混合相莫來石可以用做空氣電池或燃料電池的陰極催化劑，特征二在于催化層的制備方法。

技術(shù)領(lǐng)域

一種空氣電池或者燃料電池陰極用混合相莫來石電催化劑。

背景技術(shù)

能源與環(huán)境問題一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。人類社會(huì)進(jìn)入工業(yè)化階段后，化石燃料(主要包括石油、煤炭和天然氣)成為人類生存與社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。然而，化石燃料對自然環(huán)境也造成了不可逆轉(zhuǎn)的污染，帶來大量廢水、廢氣、廢渣、廢熱的排放。并且，隨著能源需求量的進(jìn)一步增加，儲(chǔ)量有限的化石燃料將日益減少并且終將枯竭。因此，世界各國都在尋找具有高效的能源利用效率、環(huán)境友好可再生的新能源。

空氣電池和燃料電池以其零污染、能量轉(zhuǎn)化率高、適用范圍廣等多種優(yōu)點(diǎn)成為新能源的研究熱點(diǎn)。燃料以電化學(xué)反應(yīng)的方式將其儲(chǔ)備的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過熱機(jī)過程，所以也就不受卡諾循環(huán)的限制，實(shí)際的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到40％-60％。

目前，限制燃料電池技術(shù)發(fā)展的主要因素是陰極的反應(yīng)速率。在電池的陰極，參與反應(yīng)的氧氣由空氣中引入并在電極上得到電子被還原，該反應(yīng)的速率遠(yuǎn)小于陽極反應(yīng)速率。因此，尋找一種廉價(jià)且高效的氧還原反應(yīng)(ORR)催化材料就成為了燃料電池領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

之前的研究證實(shí)鉑納米顆粒具有良好的催化性能，但鉑元素在地殼中儲(chǔ)量少，價(jià)格昂貴，無法滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求，且負(fù)載Pt的活性炭隨著使用時(shí)間的增長會(huì)發(fā)生降解，因而造成催化劑流失。鈣鈦礦型氧化物雖然也是研究的熱點(diǎn)，但其在中性溶液中表現(xiàn)出過高的過電勢，在酸性溶液中會(huì)發(fā)生降解，只能在堿性環(huán)境中使用，這也限制了它的廣泛應(yīng)用。

2012年，混相莫來石氧化物被成功研發(fā)。該莫來石材料具有良好的耐久性，制作過程簡單，便于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，所使用的過渡金屬和稀土元素儲(chǔ)量豐富，從而能顯著降低生產(chǎn)成本。實(shí)驗(yàn)證明，在柴油機(jī)燃燒溫度300℃時(shí)，該混相莫來石對汽車尾氣的催化效率比鉑金高45％以上。這是最近二十幾年氧化物催化劑實(shí)現(xiàn)工業(yè)化發(fā)展的重要突破，使得在汽車尾氣處理中氧化物代替昂貴的鉑金催化劑成為現(xiàn)實(shí)。該研究成果已經(jīng)發(fā)表在全球最權(quán)威的頂級(jí)學(xué)術(shù)雜志《科學(xué)》上(2012年8月刊，總第337卷)。

本發(fā)明首次報(bào)道了該混合相莫來石材料應(yīng)用為燃料電池陰極催化劑。該錳基混相氧化物包括莫來石相，尖晶石相和螢石相，我們以化學(xué)式Mn₇CeSmSrO₁₄的混相莫來石為例來說明問題，但本發(fā)明不僅限于此配比，其他比例的混相莫來石對氧還原反應(yīng)同樣有催化效果。將其制作于燃料電池陰極催化層，證實(shí)其催化性能可以與鉑金相媲美。相比于鈣鈦礦材料，此種催化劑在中性環(huán)境下仍然具有較好的催化性能與較低的過電勢。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明首次將混合相莫來石材料應(yīng)用為燃料電池陰極催化劑。該錳基混相氧化物包括莫來石相SmMn₂O₅，尖晶石相Mn₃O₄和螢石相CeO₂，我們以化學(xué)式Mn₇CeSmSrO₁₄的混相莫來石為例說明問題，但本發(fā)明不僅限于此配比，其他比例的混相莫來石對氧還原反應(yīng)同樣有效果。將其制作于燃料電池陰極催化層，證實(shí)其催化性能可以與鉑金相媲美。相比于鈣鈦礦材料，此種催化劑在中性環(huán)境下仍然具有較好的催化性能與較低的過電勢。

具體來說，本發(fā)明提供了將混合相莫來石材料應(yīng)用為空氣電池或者燃料電池陰極催化劑，錳基混相氧化物為莫來石相SmMn₂O₅，尖晶石相Mn₃O₄和螢石相CeO₂的混合相。